JP7500178B2 - 複合正極活物質、それを含んだ正極、リチウム電池及びその製造方法 - Google Patents
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Description
複数の一次粒子を含む二次粒子、及び二次粒子の表面上に配置されたコーティング膜を含む複合正極活物質であり、
複数の一次粒子は、層状(layered)結晶構造を有するニッケル系リチウム遷移金属酸化物を含み、
複数の一次粒子間に配置される粒界(grain boundary)が、リチウム遷移金属酸化物と異なる結晶構造を有し、下記化学式1で表示されるリチウム金属酸化物を含み、
二次粒子の表面に配置されたコーティング膜は、コバルト(Co)と、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上との金属酸化物を含む複合正極活物質が提供される:
[化学式1]
LiaM1bOc
化学式1で、
M1が、Zr、Mn、Si、Mo、Pd、Co、Ni、Ti、Sn、Ir、Pt、Al及びRuのうちから選択される1以上であり、
1.9≦a≦4、0.9≦b≦1.1及び2.9≦c≦4である。
[化学式2]
LixCoaMebOc
化学式2で、Meは、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上であり、
0≦x≦1.1、0<a≦3、0<b≦3、1≦c≦4.1である。
二次粒子が含むコバルトと、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上の金属との濃度に比べてさらに高くてもよい。
[化学式3]
LiaM2O2-αXα
化学式3で、0.9≦a≦1.1、0≦α<2であり、
M2は、ニッケル(Ni)と第1金属とを含み、第1金属は、ニッケルを除いた第2族元素ないし第13族元素のうちから選択された2以上の元素であり、M2において、ニッケル含量が70mol%ないし100mol%未満であり、
Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。
[化学式4]
LiaNibM2cM3dM4eO2-αXα
化学式4で、0.9≦a≦1.1、0.7<b<1.0、0<c<0.3、0<d<0.3、0≦e<0.1、b+c+d+e=1、0≦α<2であり、
M2、M3及びM4が、互いに異なり、それぞれコバルト(Co)、マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、レニウム(Re)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ボロン(B)、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、マグネシウム(Mg)及び白金(Pt)のうちから選択された一つであり、
Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。
[化学式5]
LiaNibCocMndM5eO2-αXα
[化学式6]
LiaNibCocAldM5eO2-αXα
化学式5及び6で、0.9≦a≦1.1、0.7<b<1.0、0<c<0.1、0<d<0.1、0≦e<0.01、b+c+d+e=1、0≦α<2であり、
M5は、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、レニウム(Re)、ボロン(B)、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、マグネシウム(Mg)及び白金(Pt)のうちから選択された一つであり、
Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。
[化学式7]
aLi2MnO3・(1-a)LiM6O2-αXα
化学式7で、0<a<1、0≦α<2であり、
M6は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、レニウム(Re)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ボロン(B)、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、マグネシウム(Mg)及び白金(Pt)のうちから選択された2以上の元素であり、
Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。
[化学式8]
LixNi1-y-zMnzCoyO2
化学式8で、0.8≦x≦1.1、0≦y≦0.2、0≦z≦0.2、0.8≦1-y-z≦0.99であり、
[化学式9]
LixNi1-y-zAlzCoyO2
化学式9で、0.8≦x≦1.1、0≦y≦0.2、0≦z≦0.2、0.8≦1-y-z≦0.99である。
[化学式10]
LixMyM’1-yPO4
化学式10で、0.1≦x≦2、0≦y≦1であり、MとM’は、互いに独立して、鉄(Fe)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Co)及び亜鉛(Zn)からなる群から選択される。
複合正極活物質組成物を酸化性雰囲気下で、400ないし1,000℃で熱処理する段階と、を含む複合正極活物質の製造方法が提供される。
層状結晶構造を有するニッケル系リチウム遷移金属酸化物の前駆体と、下記化学式1で表示される化合物の前駆体とを混合して混合物を得る段階と、
混合物を酸化性雰囲気で400ないし1,000℃で熱処理する段階と、を含んで製造されてもよい:
[化学式1]
LiaM1bOc
化学式1で、
M1が、Zr、Mn、Si、Mo、Pd、Co、Ni、Ti、Sn、Ir、Pt、Al及びRuのうちから選択される1以上であり、
1.9≦a≦4、0.9≦b≦1.1及び2.9≦c≦4である。
[化学式1]
LiaM1bOc
化学式1で、
M1が、Zr、Mn、Si、Mo、Pd、Co、Ni、Ti、Sn、Ir、Pt、Al及びRuのうちから選択される1以上であり、
1.9≦a≦4、0.9≦b≦1.1及び2.9≦c≦4である。
[化学式2]
LixCoaMebOc
化学式2で、Meは、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上であり、
0≦x≦1.1、0<a≦3、0<b≦3、1≦c≦4.1である。
[化学式3]
LiaM2O2-αXα
化学式3で、0.9≦a≦1.1、0≦α<2であり、M2は、ニッケル(Ni)、第1金属であり、第1金属は、ニッケルを除いた第2族元素ないし第13族元素のうちから選択された2以上の元素であり、M2において、ニッケル含量が70mol%ないし100mol%未満であり、Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。
[化学式4]
LiaNibM2cM3dM4eO2-αXα
化学式4で、0.9≦a≦1.1、0.7<b<1.0、0<c<0.3、0<d<0.3、0≦e<0.1、b+c+d+e=1、0≦α<2であり、
M2、M3及びM4が互いに異なり、それぞれコバルト(Co)、マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、レニウム(Re)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ボロン(B)、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、マグネシウム(Mg)及び白金(Pt)のうちから選択された一つであり、Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。
[化学式5]
LiaNibCocMndM5eO2-αXα
[化学式6]
LiaNibCocAldM5eO2-αXα
化学式5及び6で、0.9≦a≦1.1、0.7<b<1.0、0<c<0.2、0<d<0.2、0≦e<0.01、b+c+d+e=1、0≦α<2であり、M5は、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、レニウム(Re)、ボロン(B)、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、マグネシウム(Mg)及び白金(Pt)のうちから選択された一つであり、Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。
[化学式7a]
Li2MnO3
[化学式7b]
LiMO2
化学式7bで、
Mは、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ジルコニウム(Zr)、レニウム(Re)、アルミニウム(Al)、ボロン(B)、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、マグネシウム(Mg)及び白金(Pt)のうちから選択された2以上の元素である。
[化学式7]
aLi2MnO3・(1-a)LiM6O2-αXα
化学式7で、0<a<1、0≦α<2であり、M6は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、レニウム(Re)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ボロン(B)、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、マグネシウム(Mg)及び白金(Pt)のうちから選択された2以上の元素であり、Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。
[化学式8]
LixNi1-y-zMnzCoyO2
化学式8で、0.8≦x≦1.1、0≦y≦0.2、0≦z≦0.2、0.8≦1-y-z≦0.99であり、
[化学式9]
LixNi1-y-zAlzCoyO2
化学式9で、0.8≦x≦1.1、0≦y≦0.2、0≦z≦0.2、0.8≦1-y-z≦0.99である。
本明細書において、「平均粒径(average particle diameter)」またはD50は、粒径が最小である粒子から最大である粒子順に累積した分布曲線(distribution curve)で粒子の50%に該当する粒径(D50)を意味する。ここで、累積した粒子(accumulated particles)の総数は、100%である。平均粒子サイズは、当業者に知られた方法によって測定可能である。例えば、平均粒子サイズは、粒子サイズ分析器、TEMまたはSEMイメージを用いて測定可能である。平均粒子サイズを測定する他の方法として、動的光散乱(dynamic light scattering)を用いた測定装置を用いる方法がある。その方法によって、所定サイズ範囲を有する粒子の数をカウントし、これにより、平均粒径が計算される。
[化学式10]
LixMyM’1-yPO4
化学式10で、0.1≦x≦2、0≦y≦1であり、MとM’は、互いに独立して、鉄(Fe)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Cu)及び亜鉛(Zn)からなる群から選択される。
[化学式11]
LixM8yM9zPO4-αXα
化学式11で、0.9≦x≦1.1、0≦y≦0.9、0≦z≦0.5、1-y-z≦0、0≦α≦2であり、M8が、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Al、Mg、Zr及びBからなる群のうちから選択された1以上の金属であり、M9が、Mg、Ca、Sr、Ba、Ti、Zr、Nb、Mo、W、Zn、Al、Si、Ni、Mn、Cr、Fe、Vまたは希土類元素からなる群のうちから選択される少なくとも1つの元素であり、Xが、O、F、Cl、Br、S及びPからなる群のうちから選択される元素である。
[化学式1]
LiaM1bOc
化学式1で、
M1が、Zr、Mn、Si、Mo、Pd、Co、Ni、Ti、Sn、Ir、Pt、Al及びRuのうちから選択される1以上であり、
1.9≦a≦4、0.9≦b≦1.1及び2.9≦c≦4である。
酸化ジルコニウム(ZrO2)、アルミナ(Al2O3)、Ni0.88Co0.08Mn0.04(OH)2(Reshine New Material Co., Ltd., China)及びリチウム前駆体であるLiOH・H2Oを、0.0025:0.000625:1:1.09375のモル比で混合し、第1混合物を得た。投入されたNi0.88Co0.08Mn0.04(OH)2粉末は、針状型(needle-like)一次粒子が凝集された二次粒子である。
複合正極活物質二次粒子のコーティング膜において、Co及びMgの含量が、層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物100重量部に対して、0.75重量部になるように、Co(NO3)2・6H2O及びMg(NO3)2・6H2Oを1.5:1の重量比で混合した前駆体の含量を変化させたことを除いては、実施例1と同一方法で、複合正極活物質を準備した。
前記第2混合物に対する熱処理時、下記表1の条件によって実施したことを除いては、実施例2と同一に実施し、複合正極活物質を得た。
複合正極活物質二次粒子のコーティング膜において、Co及びMgの含量が、層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物100重量部に対して、1.5重量部になるように、Co(NO3)2・6H2O及びMg(NO3)2・6H2Oを1.5:1の重量比で混合した前駆体の含量を変化させたことを除いては、実施例1と同一方法で、複合正極活物質を準備した。
複合正極活物質二次粒子のコーティング膜において、Co及びMgの含量が、層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物100重量部に対して、5重量部になるように、Co(NO3)2・6H2O及びMg(NO3)2・6H2Oを1.5:1の重量比で混合した前駆体の含量を変化させたことを除いては、実施例1と同一方法で、複合正極活物質を準備した。
層状結晶構造を有するリチウム遷移金属化合物の製造時、第2金属前駆体である酸化ジルコニウム(ZrO2)、アルミナ(Al2O3)、Ni0.88Co0.08Mn0.04(OH)2(Reshine New Material Co., Ltd., China)、リチウム前駆体であるLiOH・H2Oの混合比を変化させ、Li1.09625(Ni0.88Co0.08Mn0.04)Al0.00125Zr0.005O2が得られたことを除いては、実施例1と同一に実施し、複合正極活物質を得た。
複合正極活物質二次粒子のコーティング膜において、Co及びMgの含量が、層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物100重量部に対して、0.75重量部になるように、Co(NO3)2・6H2O及びMg(NO3)2・6H2Oの含量を変更したことを除いては、実施例1と同一方法で、複合正極活物質を準備した。
Ni0.88Co0.08Mn0.04(OH)2(Reshine New Material Co., Ltd., China)、リチウム前駆体であるLiOH・H2Oを、1:1.09のモル比で混合して混合物を得た。この混合物を炉に投入し、酸素を流しながら、760℃で12時間、一次熱処理を実施した。
第1混合物の製造時、酸化ジルコニウムを付加しないことを除いては、実施例1と同一に実施し、複合正極活物質を得た。
実施例1の一次熱処理段階で製造されたLi1.09375(Ni0.88Co0.08Mn0.04)Al0.00125Zr0.0025O2粉末100重量部を、蒸留水90重量部に投入して撹拌した後、沈殿物を濾過及び分離し、残留リチウムを除去する水洗い段階を1回遂行した。
第1組成物が、下記過程によって製造されたことを除いては、実施例1と同一に実施した。
第1組成物が、下記過程によって製造されたことを除いては、実施例1と同一に実施した。
第1組成物が、下記過程によって製造されたことを除いては、実施例1と同一に実施した。
第1組成物が、下記過程によって製造されたことを除いては、実施例1と同一に実施した。
実施例1で製造された複合正極活物質、炭素導電剤(Denka Black)及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、92:4:4の重量比で混合した混合物を、N-メチルピロリドン(NMP)と共にメノウ乳鉢で混合し、スラリーを製造した。15μm厚のアルミニウム集電体上に、スラリーをバーコーティング(bar coating)し、常温で乾燥させた後、真空、120℃の条件でさらに1回乾燥させ、圧延及びパンチングし、45μm厚の正極を製造した。
実施例1で製造された複合正極活物質の代わりに、実施例2ないし6によって製造された複合正極活物質をそれぞれ使用したことを除いては、製作例1と同一方法で、コインハーフセルを製造した。
実施例1で製造された複合正極活物質の代わりに、実施例2-1ないし2-7によって製造された複合正極活物質をそれぞれ使用したことを除いては、製作例1と同一方法で、コインハーフセルを製造した。
実施例1で製造された複合正極活物質100重量部にLiFePO4 5重量部を追加したことを除いては、製作例1と同一方法で、コインハーフセルを製造した。
実施例1で製造された複合正極活物質の代わりに、比較例1ないし7で準備された複合正極活物質をそれぞれ使用したことを除いては、製作例1と同一方法で、コインハーフセルを製造した。
実施例1で製造された複合正極活物質、炭素導電剤(Denka Black)及びポリフッ化ビニリデン(PVdF)を、92:4:4の重量比で混合した混合物を、N-メチルピロリドン(NMP)と共にメノウ乳鉢で混合し、正極活物質スラリーを製造した。15μm厚のアルミニウム集電体上に、スラリーをバーコーティングし、常温で乾燥させた後、真空、120℃の条件でさらに1回乾燥させ、圧延及びパンチングし、45μm厚の正極を製造した。
実施例1で製造された複合正極活物質の代わりに、実施例2及び3で準備された複合正極活物質をそれぞれ使用したことを除いては、製作例8と同一方法で、フルセルを製造した。
実施例1で製造された複合正極活物質100重量部に、LiFePO4 5重量部を追加したことを除いては、製作例8と同一方法で、フルセルを製造した。
実施例1で製造された複合正極活物質の代わりに、比較例1ないし7で準備した複合正極活物質をそれぞれ使用したことを除いては、製作例8と同一方法で、フルセルを製造した。
実施例1の複合正極活物質に係わるXRDスペクトルを測定し、その結果を図3にそれぞれ示した。XRDスペクトル測定に、Cu Kα放射線(radiation)を使用した。
図4Aないし図4Eは、実施例1によって得た複合正極活物質の断面に係わるHAADF(high-angle annular dark field image) STEM(scanning transmission electron. microscopy)イメージ及びEDS(energy dispersive X-ray spectrometry)イメージである。
実施例1及び2、並びに比較例1及び2で製造された複合正極活物質について、表面残留リチウム含量を測定し、その結果の一部を下記表2に示した。
製作例5、製作例6、比較製作例1及び2で製造されたリチウム電池に対し、25℃で0.1C rateの電流で、電圧が4.35V(対Li)に至るまで定電流充電し、続けて、放電時、電圧が2.8V(対Li)に至るまで、0.1C rateの定電流で放電した(最初のサイクル、化成(formation)サイクル)。
容量維持率[%]=[52回目サイクルでの放電容量/3回目サイクルでの放電容量]X100
製作例1,2,2-1ないし2-7,3及び4、及び比較製作例3ないし5で製造されたリチウム電池に対し、25℃で0.1C rateの電流で、電圧が4.35V(対Li)に至るまで定電流充電し、続けて、放電時、電圧が2.8V(対Li)に至るまで、0.1C rateの定電流で放電した(最初のサイクル、化成サイクル)。
容量維持率[%]=[52回目サイクルでの放電容量/3回目サイクルでの放電容量]X100
製作例9及び製作例11で製造されたリチウム電池に対し、45℃で0.1C rateの電流で、電圧が4.30V(対Li)に至るまで定電流充電し、続けて、放電時、電圧が2.8V(対Li)に至るまで、0.1C rateの定電流で放電した(最初のサイクル、化成サイクル)。
容量維持率[%]=[202回目サイクルでの放電容量/3回目サイクルでの放電容量]X100
初期効率[%]=[最初のサイクルでの放電容量/最初のサイクルでの充電容量]X100
製作例9及び製作例11で製造されたリチウム電池に対して、常温(25℃)で初期直流抵抗(DC-IR)を下記方法で測定した。
0.5Cで30秒間定電流放電し、
30秒休止させた後、0.5Cで30秒定電流充電させて10分休止させ、
1.0Cで30秒間定電流放電し、30秒休止させた後、0.5Cで1分定電流充電させて10分休止させ、
2.0Cで30秒間定電流放電し、30秒休止させた後、0.5Cで2分定電流充電させて10分休止させ、
3.0Cで30秒間定電流放電し、30秒休止させた後、0.5Cで3分定電流充電させて10分休止させた。
12 二次粒子
13 リチウム金属酸化物
14 粒界
15 コーティング膜
21 リチウム電池
22 負極
23 正極
24 セパレータ
25 電池ケース
26 キャップアセンブリ
Claims (31)
- 複数の一次粒子を含む二次粒子、及び前記二次粒子の表面上に配置されたコーティング膜を含む複合正極活物質であり、
前記複数の一次粒子は、層状結晶構造を有するニッケル系リチウム遷移金属酸化物を含み、
前記複数の一次粒子間に配置される粒界が、前記リチウム遷移金属酸化物と異なる結晶構造を有し、下記化学式1で表示されるリチウム金属酸化物を含み、
前記二次粒子の表面に配置されたコーティング膜は、コバルト(Co)と、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上との金属酸化物を含む複合正極活物質:
[化学式1]
LiaM1bOc
前記化学式1で、
M1が、Zr、Mn、Si、Mo、Pd、Co、Ni、Ti、Sn、Ir、Pt、Al及びRuのうちから選択される1以上であり、
1.9≦a≦4、0.9≦b≦1.1及び2.9≦c≦4である。 - 前記化学式1で表示されるリチウム金属酸化物が、単斜晶系構造を有することを特徴とする請求項1に記載の複合正極活物質。
- 前記化学式1で表示されるリチウム金属酸化物は、Li2ZrO3、Li2TiO3、Li4SiO4、Li2SiO3、またはその組み合わせであることを特徴とする請求項1または2に記載の複合正極活物質。
- 前記コバルト(Co)と、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上との金属酸化物は、スピネル構造の金属酸化物、またはスピネル構造の金属酸化物と、層状結晶構造の金属酸化物とを含むことを特徴とする請求項1ないし3のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記コバルト(Co)と、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上との金属酸化物は、下記化学式2で表示される金属酸化物であることを特徴とする請求項1ないし4のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質:
[化学式2]
LixCoaMebOc
化学式2で、Meは、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上であり、
0≦x≦1.1、0<a≦3、0<b≦3、1≦c≦4.1である。 - 前記コバルト(Co)と、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上との金属酸化物は、i)Co3O4とLixCoO2(0<x≦1.5)の少なくとも1つと、ii)MgOの組み合わせを含むことを特徴とする請求項1ないし5のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記コバルト(Co)と、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上との金属酸化物は、Co3O4とMgOとの混合物、Co3O4・MgO複合体、LiCoO2とMgOとの混合物、LiCoO2・MgO複合体、LiCoO2とCo3O4とMgOとの混合物、またはLiCoO2・Co3O4・MgO複合体であることを特徴とする請求項1ないし6のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記コーティング膜において、コバルト(Co)と、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上の金属との濃度が、
前記二次粒子が含むコバルトと、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上の金属との濃度に比べてさらに高いことを特徴とする請求項1ないし7のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。 - 前記コーティング膜において、コバルト(Co)と、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上の金属との濃度が、二次粒子の表面から遠くなるほど上昇することを特徴とする請求項1ないし8のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記金属酸化物は、LixCoaMgbO4、LixCoaGabO4、LixCoaCabO4、LixCoaBabO4、LixCoaAlbO4またはLixCoaZnbO4であり、1.0≦x≦1.1、0<a<2、0<b<2、0<a+b≦2であることを特徴とする請求項1ないし9のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記層状結晶構造を有するニッケル系リチウム遷移金属酸化物が、MgAl2O4を含むことを特徴とする請求項1ないし10のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記層状結晶構造を有するニッケル系リチウム遷移金属酸化物は、岩塩層状構造を有し、R-3m空間群に属し、前記コーティング膜の金属酸化物はリチウムコバルト複合酸化物であり、前記リチウムコバルト複合酸化物は、Fd-3m空間群に属することを特徴とする請求項1ないし11のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記コーティング膜の厚みは、1μm以下であることを特徴とする請求項1ないし12のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物は、アルミニウム(Al)及びジルコニウム(Zr)のうちから選択された1以上の金属がドーピングされたことを特徴とする請求項1ないし13のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物は、下記化学式3で表示されることを特徴とする請求項1ないし14のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質:
[化学式3]
LiaM2O2-αXα
前記化学式3で、0.9≦a≦1.1、0≦α<2であり、
M2は、ニッケル(Ni)と第1金属とを含み、前記第1金属は、ニッケルを除いた第2族元素ないし第13族元素のうちから選択された2以上の元素であり、M2において、ニッケル含量が70mol%ないし100mol%未満であり、
Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。 - 前記層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物が、下記化学式4で表示されることを特徴とする請求項1ないし15のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質:
[化学式4]
LiaNibM2cM3dM4eO2-αXα
前記化学式4で、0.9≦a≦1.1、0.7<b<1.0、0<c<0.3、0<d<0.3、0≦e<0.1、b+c+d+e=1、0≦α<2であり、
M2、M3及びM4が、互いに異なり、それぞれコバルト(Co)、マンガン(Mn)、アルミニウム(Al)、ジルコニウム(Zr)、レニウム(Re)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ボロン(B)、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、マグネシウム(Mg)及び白金(Pt)のうちから選択された一つであり、
Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。 - 前記層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物が、下記化学式5で表示される化合物及び化学式6で表示される化合物のうちから選択された1以上であることを特徴とする請求項1ないし16のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質:
[化学式5]
LiaNibCocMndM5eO2-αXα
[化学式6]
LiaNibCocAldM5eO2-αXα
前記化学式5及び6で、0.9≦a≦1.1、0.7<b<1.0、0<c<0.1、0<d<0.1、0≦e<0.01、b+c+d+e=1、0≦α<2であり、
M5は、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、レニウム(Re)、ボロン(B)、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、マグネシウム(Mg)及び白金(Pt)のうちから選択された一つであり、
Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。 - 前記層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物は、下記化学式7で表示されることを特徴とする請求項1ないし17のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質:
[化学式7]
aLi2MnO3・(1-a)LiM6O2-αXα
前記化学式7で、0<a<1、0≦α<2であり、
M6は、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)、マンガン(Mn)、ジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、レニウム(Re)、バナジウム(V)、クロム(Cr)、鉄(Fe)、ボロン(B)、ルテニウム(Ru)、チタン(Ti)、ニオブ(Nb)、モリブデン(Mo)、マグネシウム(Mg)及び白金(Pt)のうちから選択された2以上の元素であり、
Xは、F、Cl、Br、S、またはPである。 - 前記層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物を含む少なくとも1つの二次粒子の平均粒径は、10ないし20μmであることを特徴とする請求項1ないし18のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物は、下記化学式8または化学式9で表示される化合物であることを特徴とする請求項1ないし19のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質:
[化学式8]
LixNi1-y-zMnzCoyO2
化学式8で、0.8≦x≦1.1、0≦y≦0.2、0≦z≦0.2、0.8≦1-y-z≦0.99であり、
[化学式9]
LixNi1-y-zAlzCoyO2
化学式9で、0.8≦x≦1.1、0≦y≦0.2、0≦z≦0.2、0.8≦1-y-z≦0.99である。 - 前記コーティング膜において、金属酸化物の総含量は、層状結晶構造を有するニッケル系リチウム遷移金属酸化物100重量部を基準にし、0.01ないし20重量部であることを特徴とする請求項1ないし20のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記複合正極活物質の残留リチウムが、2,000ppm以下であることを特徴とする請求項1ないし21のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記複合正極活物質の残留リチウムの含量が、層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物を含む二次粒子の残留リチウムの含量の90%以下であることを特徴とする請求項1ないし22のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 前記コーティング膜が、層状結晶構造を有するリチウム遷移金属酸化物の表面を50%以上カバーすることを特徴とする請求項1ないし23のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質。
- 請求項1ないし24のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質を含む正極。
- 前記正極が、オリビン系正極活物質をさらに含むことを特徴とする請求項25に記載の正極。
- 前記オリビン系正極活物質が、下記化学式10で表示される化合物であることを特徴とする請求項26に記載の正極:
[化学式10]
LixMyM’1-yPO4
化学式10で、0.1≦x≦2、0≦y≦1であり、MとM’は、互いに独立して、鉄(Fe)、チタン(Ti)、バナジウム(V)、マンガン(Mn)、クロム(Cr)、コバルト(Co)、ニッケル(Ni)、銅(Co)及び亜鉛(Zn)からなる群から選択される。 - 前記オリビン系正極活物質の含量は、正極活物質総重量100重量部を基準にし、10重量部以下であることを特徴とする請求項26または27に記載の正極。
- 請求項25ないし28のうちいずれか1項に記載の正極と、負極と、前述の正極と負極との配置された電解質と、を含むリチウム電池。
- 層状結晶構造を有するニッケル系リチウム遷移金属酸化物と、金属酸化物の前駆体とを混合し、複合正極活物質組成物を得る段階であって、前記金属酸化物の前駆体は、コバルト前駆体と、第2族元素、第12族元素及び第13族元素のうちから選択された1以上の前駆体と、を含む、段階と、
前記複合正極活物質組成物を、酸化性雰囲気下で、400ないし1,000℃で熱処理する段階と、を含む、請求項1ないし24のうちいずれか1項に記載の複合正極活物質の製造方法。 - 前記層状結晶構造を有するニッケル系リチウム遷移金属酸化物が、
層状結晶構造を有するニッケル系リチウム遷移金属酸化物の前駆体と、下記化学式1で表示される化合物の前駆体とを混合して混合物を得る段階と、
前記混合物を、酸化性雰囲気で400ないし1,000℃で熱処理する段階と、
を含んで製造されることを特徴とする請求項30に記載の複合正極活物質の製造方法:
[化学式1]
LiaM1bOc
前記化学式1で、
M1が、Zr、Mn、Si、Mo、Pd、Co、Ni、Ti、Sn、Ir、Pt、Al及びRuのうちから選択される1以上であり、
1.9≦a≦4、0.9≦b≦1.1及び2.9≦c≦4である。
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